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Biologie du Développement P. Pierson

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Biologie

du Développement

P. Pierson

EmbryologieBiologie du Développement (1)

- Ve siècle av J.-C., Hippocrate : chaleur, humidité, solidification

- IVe siècle av J.-C., Aristote : nouvelles structures de l’embryon apparaissent progressivement par épigenèse (=«formation par dessus»)

- XVIIIe siècle : débat entre épigenèse et préformation (=embryon préformé avec seulement accroissement de taille)

- 1838-39 : théorie cellulaire (=êtres vivants constitués de cellules se divisant); 1840 : cellule-œuf=cellule unique spécialisée; puis : notions de gamètes, d’hérédité, de l’existence d’interactions cellulaires (Spemann et Mangold, 1924, greffon d’un «organisateur» chez l’amphibien)

* Historique

EmbryologieBiologie du Développement (2)

* Présentation de la discipline

- Au carrefour de plusieurs disciplines: médecine, agronomie, pharmacie, génétique, biologie moléculaire, biochimie, évolution, paléontologie, etc… et physique, chimie, mathématiques

- Au cœur de débats, exemples : théorie darwinienne de l’évolution, problèmes actuels d’éthique (utilisation d’embryons humains, clonage humain…)

Généralités (1)

* Evolution

- Notion d’ancêtre commun- Ressemblance entre les embryons

Généralités (2)

Stades Xénope Poisson zèbre Poulet Souris Homme

2 cellules 1,5 h 45 min 5 h 16 / 18 h 30 h

début blastula 4,5 h > 2 h 15 et < 3 h 23 / 25 h 3,5 jours 5 jours

début gastrula 9 h 4 h 20 23 / 26 h 6,5 jours 13 / 14 jours

début neurula 16,5 h 10 h 40 / 45 h 7 / 8 jours 18 jours

50 / 53 h,

début organogenèse 21 / 27 h 10 h > 22 somites 7 / 8 jours 21 jours

(1 somite à 23/26h)

éclosion/naissance 50 h 72 h 20 / 21 jours 20 / 21 jours environ 266 jours

(ponte à environ 24 h)

Stades Drosophile Oursin Homme

2 cellules 15 min 1 h 30 h

début blastula 1 h 30 5 h 5 jours

début gastrula 3 h 6 h 13 / 14 jours

début neurula 5 h 20 18 jours

(neuroblastes)

début organogenèse 3 h 15 > 24 h 21 jours

éclosion/naissance 21 / 22 h 10h larve nageuse, environ 266 jours

(48h larve pluteus)

* Comparaison des durées de développement

Généralités (3)

* Les repères: plans de coupe

Les différentes étapes du développement (1)

* Etapes:

Œuf / Segmentation (blastula) / Gastrulation (gastrula) / Organogenèse (neurula jusqu’à adulte)

- Œufs :1) pas de réserve=alécithes,2) réserves peu abondantes et :

homogènes=oligolécithes, gradient=hétérolécithes,

3) réserves très abondantes et : masse vitelline centrale =centrolécithes,zone germinative réduite et polaire=télolécithes

* Différents types:

- Segmentations :1) totale=holoblastique (radiaire,

spirale ou rotationnelle),2) partielle=méroblastique

(discoïdale ou superficielle);(voir exemples de blastulas issues

de ces segmentations)

Les différentes étapes du développement (2)

* Différents types (suite):

Les différentes étapes du développement (2a)

Les différentes étapes du développement (2b)

Les différentes étapes du développement (2c)

- Gastrulations par : délamination, immigration, embolie, épibolie, ou prolifération polaire

Les différentes étapes du développement (3)

* Différents types (suite):

Les différentes étapes du développement (3 bis)

- Devenir des tissus

Les différentes étapes du développement (4)

* Différents types (suite):

Les modèles (1)

* Vertébrés

- Amphibiens : œufs hétérolécithes, segmentation totale et radiaire, gastrulation par épibolie et embolie- Poisson zèbre : œufs télolécithes, segmentation partielle et discoïdale, gastrulation par épibolie- Poulet : œufs télolécithes, segmentation partielle et discoïdale, gastrulation par immigration- Mammifères : œufs alécithes, segmentation totale et rotationnelle, gastrulation par immigration

Les modèles (2)

* Invertébrés

- Oursins : œufs oligolécithes, segmentation totale et radiaire, gastrulation par embolie et immigration- Drosophile : œufs centrolécithes, segmentation partielle et superficielle, gastrulation par embolie

Les Amphibiens (1)

* Cycle de développement

Les Amphibiens (2)

* Œuf

- Structure de l’œuf : gradients

Les Amphibiens (2 bis)

* Œuf (suite)

- Après la fécondation : rotations d’orientation et de symétrisation, et formation du croissant gris

Les Amphibiens (3)

* Segmentation

- 1ère division souvent selon plan de symétrie bilatérale (égale); 2ème

division perpendiculaire (égale); 3ème division sus-équatoriale et inégale donne 4 blastomères animaux pigmentés=micromères, et 4 blastomères végétatifs volumineux riches en vitellus=macromères- Stade morula=32-64 cellules- Blastula : augmentation du nombre de blastomères et mise en place d’une cavité=blastocèle

Les Amphibiens (3 bis)

Les Amphibiens (4)

* Cartes des territoires présomptifs de xénopes, d’urodèles

(micro-injections de marqueurs)

Les Amphibiens (5)

* Gastrulation

Les Amphibiens (5a)

* Gastrulation (suite)

- Initialisation : formation du blastopore (=dépression), sous l’emplacement du croissant gris, par déformation des cellules en bouteille (contraction apicale+élongation microtubules)- Mouvement d’invagination =embolie : à partir de la région médio-dorsale, en s’étendant latéralement puis ventralement, par recrutement de cellules; aboutit à la formation du bouchon vitellin (internalisé ensuite en fente blastoporale=ouverture de l’archentéron)

- Mouvement d’involution : cellules adjacentes poussées vers l’intérieur, les cellules mésodermiques migrent vers le pôle animal et vont se retrouver sous l’ectoderme. Cela s’accompagne de remaniements cellulaires : 1) intercalation radiaire des cellules de la couche profonde de la zone marginale qui ne formeront plus qu’une seule couche, et 2) rassemblement, par intercalation latérale, des cellules mésodermiques ayant pénétré dorsalement, en une ligne médio-dorsale provoquant une élongation antéro-postérieure vers le pôle animal, =extension convergente. De plus, les cellules vitellines fondatrices de l’endoderme se sont invaginées passivement pour former le plancher de l’archentéron

Les Amphibiens (5b)

Les Amphibiens (5c)

- En parallèle : épibolie=recouvrement progressif de l’ensemble du germe par une seule assise de cellules ectodermiques, par multiplication cellulaire avec aplatissement de cellules, et intercalation radiaire

Les Amphibiens (5d)

Les Amphibiens (5e)

Les Amphibiens (5f)

Les Amphibiens (6)

* Neurulation/organogenèse

- Après un mouvement de bascule (région ventrale orientée vers le bas), le germe s’allonge antéro-postérieurement, et l’ectoderme dorsal s’aplatit et s’épaissit=formation de la plaque neurale-Replis latéraux se rapprochent en même temps que le centre s’incurve=formation de la gouttière neurale, puis se soudent=formation du tube neural (avec un renflement antérieur à l’origine de l’encéphale), puis des cellules situées de part et d’autre se délaminent et forment les crêtes neurales.

- L’embryon peut être nommé Neurula.

Les Amphibiens (6a)

- Le feuillet ectodermique dorsal (non nerveux) recouvre le tissu nerveux pour former l’épiderme- Réarrangements internes :

1) feuillet mésodermique : individualisation de la corde, formation de somites, des pièces intermédiaires (formant les pronéphros) et des lames latérales qui se creusent pour former le cœlome, (+ébauche cardiaque)

2) régionalisation du tube digestif

Les Amphibiens (6b)

Les Amphibiens (6c)Neurulation

Les Amphibiens (7)

* Fin de l’organogenèse

- Allongement global de l’embryon et apparition d’une division corporelle en 3 régions (céphalique, troncale et caudale), pour former le bourgeon caudal- Formation de : yeux, ventouses ou balanciers, fentes branchiales, uretères, queue, vésicules céphaliques, ganglions sympathiques, dermatome+myotome+sclérotome (à partir des somites), structures mésothéliales+tuniques conjonctive et musculaire du tube digestif (à partir du cœlome), appareil circulatoire, crêtes génitales, reins, organes associés au tube digestif

Les Amphibiens (7)

* Fin de l’organogenèse

Les Amphibiens (7a)

- Eclosion : la larve mène une vie aquatique libre (respiration branchiale+région caudale différenciée en nageoire) et épuise ses réserves avant ouverture de la bouche- Métamorphose (pour former l’adulte)

Les Amphibiens (7b)

Mécanismes :contrôle génétique (1)

* Etudes réalisées chez la drosophile

- Gènes impliqués dans les polarités antéro-postérieure (pendant l’ovogenèse, nanos et bicoïd), et dorso-ventrale (pendant l’ovogenèse puis pendant la segmentation, dorsal et cactus)- Gènes de segmentation=gènes régulateurs intervenant successivement pour définir des segments du corps, et activés en 3 étapes (gap, pair-rule puis de polarité segmentaire) dans des régions précises=parasegments;

Mécanismes :contrôle génétique (1a)

GENES DE SEGMENTATION DE LA DROSOPHILE

Gènes Gap : giant (gt)

tailless (tll)

huckebein (hkb)

Kruppel (Kr)knirps (kni)

hunchback (hb)

Gènes pair-rule primaires : hairy (h)

even-skipped (eve)

runt (run)

Gènes pair-rule secondaires : fushi-tarazu (ftz)odd-paired (opa)

odd-skipped (odd)sloppy-paired (slp)

paired (prd)

Gènes de polarité segmentaire : engrailed (en)

wingless (wg)cubitus interruptus (ci)

hedgehog (hh)

fused (fu)

armandillo (arm)

patched (ptc)

gooseberry (gsb)

Mécanismes :contrôle génétique (1b)

(Gènes de segmentation suite :)-gap : leur mutation détermine

un vide dans l’organisation de la larve, s’expriment chacun dans ‘’son’’ ensemble de parasegments, régulés par les produits des gènes de polarité et influencent leur expression mutuelle,

-pair-rule : 1aires=contrôlés par les gap, 2aires=contrôlés par les 1aires, (+interactions),

-de polarité segmentaire : les cellules du blastoderme (compartimenté) interagissent via ces gènes, et l’embryon (avant gastrulation) sera organisé en parasegments polarisés

Mécanismes :contrôle génétique (1c)

Mécanismes :contrôle génétique (1d)

- Gènes sélecteurs homéotiques=gènes sélectionnant les gènes activés dans chaque segment, connus grâce à des mutations provoquant la transformation d’une partie du corps en une autre

-s’expriment dès la gastrulation

-suivent la règle de colinéarité=l’ordre dans lequel ces gènes sont localisés sur un chromosome (de 3’ vers 5’) est identique à l’ordre dans lequel se succèdent les aires anatomiques où ils s’expriment (de tête vers queue);

Mécanismes :contrôle génétique (1e)

Mécanismes :contrôle génétique (1f)

(Gènes sélecteurs homéotiques suite)-structure : contiennent 1

séquence de 180 paires de base =homéoboîte codant pour un peptide de 60 acides aminés; ce peptide constitue le domaine de liaison à l’ADN de la protéine régulatrice =homéodomaine et donc détermine le(s) gène(s) régulé(s); grande homologie entre ces homéodomaines

-l’homéodomaine donne sa spécificité à la protéine régulatrice

-expression régulée par des protéines codées par gap ou pair-rule; interaction entre eux; possibilités d’exercer des contrôles différents, et pour certains de produire plusieurs protéines régulatrices- Gènes spécifiques d’organes ou de tissus

Mécanismes :contrôle génétique (2)

* Application aux Vertébrés

- Gènes régulateurs contrôlant l’établissement des axes antéro-postérieur (Goosecoïd-Brachyury) et dorso-ventral (Wnt pour ventral); entrent en jeu au moment de la gastrulation

Mécanismes :contrôle génétique (2a)

- Puis, gènes sélecteurs homéotiquesqui déterminent le patron de l’organogenèse : 4 complexes de gènes analogues à ceux de la drosophile, règle de colinéarité, gènes situés au même niveau dans chaque complexe sont à forte homologie d’homéoboîte =gènes paralogues; expression : domaine défini et diminuant d’avant en arrière, (régulée par l’acide rétinoïque), plusieurs dans une même structure embryonnaire, gènes à limite d’expression + antérieure sont activés + tôt (comme pour différenciation de l’embryon); ex : différenciation d’un membre

Mécanismes :contrôle génétique (2b)

Mécanismes :contrôle génétique (3)

* Expression du génome embryonnaire

- A un stade précoce : transcription du génome embryonnaire avec une grande partie des ARNm transcrits qui remplacent les ARNm maternels (pour protéines structurales + enzymes); la complexité des protéines diminue au cours du développement (nombre d’informations + restreint pour fonction spécialisée)- Taux de transcription des gènes varie au cours du développement; spécialisation régionale avec influence du cytoplasme sur l’activation des gènes, signaux inducteurs, et échange de protéines entre cytoplasme et noyau

Mécanismes :contrôle génétique (3a)

Mécanismes :contrôle génétique (3b)

Mécanismes :inductions embryonnaires (1)

* Inductions durant le développement

- Mésoblaste induit par l’endoblaste au cours de la segmentation: à l’endroit où il y a contact entre les moitiés animale et végétative séparées par le blastocèle; induction provenant de l’endoderme dorso-végétatif et réalisée dans la calotte animale; capacité d’induction diminue rapidement chez la blastula âgée; partie dorsale du mésoblaste jouera le rôle d’organisateur (gastrula); facteurs inducteurs=facteurs de croissance type FGF et TGFββββ;

Mécanismes :inductions embryonnaires (1a)

- Induction neurogène et mésoblastogène pendant la gastrulation: le mésoderme dorsal (voir lèvre dorsale du blastopore) induit la transformation de l’ectoderme en son contact en plaque neurale, et fournit mésenchyme céphalique et corde, somites et pièces intermédiaires; capacité d’induction diminue au cours du temps ainsi que la compétence du tissu induit; - Autres inductions à toutes les étapes de l’organogenèse, (ex: œil)

Mécanismes :inductions embryonnaires (1b)

Mécanismes :inductions embryonnaires (2)

* Mécanismes de l’induction

-Bases :-nécessité de plusieurs

signaux pour une induction, (et éventuellement contact cellulaire entre tissus inducteur et induit)

-molécules inductrices = protéines

-notion de compétence : un des facteurs=présence en quantité suffisante de récepteurs à la molécule inductrice

Mécanismes :inductions embryonnaires (2a)

- Expression de gènes régulateurs activés par les molécules de la famille des facteurs de croissance (et acide rétinoïque) :

-gènes régulateurs de polarité qui établissent la polarité céphalo-caudale

-gènes homéotiques qui définissent une régionalisation dans l’embryon indispensable à une morphogenèse normale et coordonneraient les synthèses entre tissus inducteur et induit (ont un domaine d’expression régional et à la fois dans les tissus inducteur et induit); suivent la règle de colinéarité dans l ’espace et le temps (début=3’=partie antérieure du corps)

Mécanismes :inductions embryonnaires (2b)

- Conséquences de l’induction :-activation de transcription de

gènes aboutissant à la synthèse de protéines pouvant réguler d’autres gènes (‘’cascade’’), jusqu’à obtention de protéines spécifiques de tissus

-détermination de territoires (= champs morphogénétiques), disparition des capacités de régulation (de déficience ou excédent)

Mécanismes :régulation de déficit/excédent (1)

* Généralités

- Concerne les animaux ayant des œufs à régulation=blastomères gardant les mêmes potentialités, soit : Oursins et Vertébrés; (cas des jumeaux)- Régulation des déficiences : l’œuf est capable de compenser ses pertes, ex : un seul blastomère formant un embryon entier- Régulation des excédents : la fusion de plusieurs embryons donne un seul individu harmonieux

* Exemple des Amphibiens

- Déficiences : pendant la segmentation, régulation possible si le blastomère concerné possède une quantité minimale de matériel dorso-végétatif repéré par le croissant gris; chez une jeune gastrula, régulation possible si la moitié contient une partie de la lèvre blastoporale; après, la régulation n’est plus possible; donc l’embryon perd peu à peu ses potentialités de régulation (territoires déterminés)

Mécanismes :régulation de déficit/excédent (2)

Mécanismes :régulation de déficit/excédent

(2a)

- Excédents : 2 embryons fusionnant donnent 1 seul embryon cohérent si leurs croissants gris (qui déterminent l’apparition des lèvres blastoporales) sont en continuité et fusionnent

Mécanismes :régulation de déficit/excédent

(2b)

Mécanismes :régulation de déficit/excédent

(2c)

- Rappel: le croissant gris est un centre organisateur inducteur. Les territoires ne sont pas tous déterminés avant la gastrulation, la gastrulation donnant un embryon constitué d’une mosaïque de territoires déterminés capables de s’autodifférencier

Mécanismes :régulation de déficit/excédent (3)

* Autres exemples

Mécanismes :régulation de déficit/excédent

(3 bis)

Mécanismes :mouvements de cellules (1)

* Modifications du cytosqueletteChangement de forme des cellules en bouteille pour la formation du blastopore, de cellules ectodermiques pour la formation de l’épiderme et de la plaque neurale

Mécanismes :mouvements de cellules (2)

* Adhérence intercellulaire

- Une adhésivité sélective existe entre les cellules d’un même feuillet embryonnaire- Molécules impliquées : N-CAMs et cadhérines

N-CAMs

cadhérines

Mécanismes :mouvements de cellules (2 bis)

- Expression dans des périodes définies du développement, en alternance avec des périodes de migration des cellules

Mécanismes :mouvements de cellules (3)

* Migrations cellulaires

- Des communications s’établissent, par jonctions communicantes, entre des cellules adhérentes afin de coordonner des fonctions et mouvements cellulaires- Dès le début du développement, les cellules sécrètent des glycoprotéines qui s’organisent en une matrice extracellulaire sur laquelle des cellules pourront migrer- Migration grâce à des interactions cellules-matrice extracellulaire : fibronectine-intégrines; ex : gastrulation, formation des crêtes neurales

Mécanismes :mouvements de cellules (3a)

Fibronectine Intégrine

Interaction

Phase stationnaire

Phase migratoire

Mécanismes :mouvements de cellules (3b)

Synthèse (1)

* Embryologie descriptive

- La segmentation de l’œuf fécondé augmente le nombre de cellules, sans modifier le volume global de l’œuf, et aboutit à une blastula creuse (cas plus général)- La gastrulation implique des migrations coordonnées de cellules de certaines aires embryonnaires et aboutit à la mise en place des 3 feuillets fondamentaux (ectoderme, endoderme, et mésoderme sauf pour hydres et éponges), sans croissance du germe- L’organogenèse permet la mise en place du plan d’organisation de l’espèce et la différenciation des organes, avec croissance, (jusqu’à l’adulte)

Synthèse (2)

* Embryologie causale

- La réalisation de ces phénomènes nécessite leur ‘’programmation’’, ce qui implique l’expression de gènes précis à des instants précis du développement; cette expression est contrôlée par des molécules présentes dans le cytoplasme / le noyau des cellules concernées; ces gènes peuvent produire des protéines régulant d’autres gènes (‘’cascade’’), jusqu’à la production de protéines spécifiques de tissus (différenciés);

- A des étapes précises du développement, des protéines ainsi produites vont permettre des échanges d’informations cellule-cellule aboutissant à l’induction de cellules compétentes qui vont se différencier, des interactions cellule-cellule ou cellule-matriceextracellulaire permettant l’adhérence ou la migration cellulaire

Synthèse (2 bis)

* Embryologie causale (suite)